磨料磨损失效分析

磨料磨损失效分析

磨损失效是机械设备和零部件的三种主要失效形式———断裂、腐蚀和磨损失效形式之一。通常磨损过程是一个渐进的过程,正常情况下磨损直接的结果也并非灾难性的,因此,人们容易忽视对磨损失效重要性的认识。实际上,机械设备的磨损失效造成的经济损失是巨大的[1～10,15]。美国曾有统计,每年因磨损造成的经济损失占其国民生产总值的4%。

2004年底由中国工程院和国家自然科学基金委共同组织的北京摩擦学科与工程前沿研讨会的资料显示,磨损损失了世界一次能源的三分之一,机电设备的70%损坏是由于各种形式的磨损而引起的;我国的GDP只占世界的4%,却消耗了世界的30%以上的钢材;我国每年因摩擦磨损造成的经济损失在1000亿人民币以上,仅磨料磨损每年就要消耗300多万吨金属耐磨材料。可见减摩、抗磨工作具有节能节材、资源充分利用和保障安全的重要作用,越来越受到国内外的重视。因此,研究磨损失效的原因,制定抗磨对策、减少磨损耗材、提高机械设备和零件的安全寿命有很大的社会和经济效益。

1 磨损和磨损失效的主要类型

磨损———由于机械作用造成物体表面材料逐渐损耗。

磨损失效———由于材料磨损引起的机械产品丧失应有的功能。

通常,按照磨损机理和磨损系统中材料与磨料、材料与材料之间的作用方式划分,磨损的主要类型可分为磨料磨损、粘着磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等类型。

1.1 磨料磨损

由外部进入摩擦面间的硬颗粒或突出物在较软材料的表面上犁刨出很多沟纹,产生材料的迁移而造成的一种磨损现象称为磨料磨损。

影响这种磨损的主要因素:在多数情况下,材料的硬度越高,

耐磨性越好;磨损量随磨损磨粒平均尺寸的增加而增大;磨损量

随着磨粒硬度的增大而加大等。

1.2 粘着磨损

在两摩擦表面相对滑动时,材料发生"冷焊"后便从一个表面

转移到另一个表面,成为表面凸起物,促使摩擦表面进一步磨损

的现象称为粘着磨损。

影响粘着磨损的主要因素:同类的摩擦副材料比异类材料容

易粘着,采用表面处理(如热处理、喷镀、化学处理等)可以减少粘着磨损;脆性材料比塑性材料抗粘着能力高;材料表面粗糙度

值越小,抗粘着能力也越强;控制摩擦表面的温度,采用的润滑剂等可减轻粘着磨损等。

1.3 冲蚀磨损

当含有流动微粒(固、液或气体)的流体冲击材料表面造成的一种磨损现象称为冲蚀磨损。

影响冲蚀磨损的主要因素是流动微粒的冲击速度及角度等。

1.4 疲劳磨损

当两种材料相对运动(滚动或滑动)时,接触区受到循环应力的反复作用,当循环应力超过材料接触疲劳强度,接触表面或表面下某处形成疲劳裂纹,造成表面层局部脱落的现象称为疲劳磨损。

影响疲劳磨损的主要因素:零件表面硬度越高,产生疲劳裂纹的危险性越小;减少表面粗糙度,可改善零件疲劳寿命;高粘度的润滑油能提高抗疲劳磨损的能力,有利于提高疲劳寿命等。

1.5 腐蚀磨损

摩擦过程中,摩擦面与周围介质发生化学或电化学反应,造成表面材料的损失现象,称为腐蚀磨损。

影响腐蚀磨损的主要因素:腐蚀介质(如酸、碱、盐)的性质、零件表面氧化膜的性质和环境温度与湿度等。

1.6 微动磨损

在相互压紧的金属表面间由于微小振幅振动,使接触面产生氧化磨损微粒,难以从接触部位排除,就会发生微动磨损。

影响微动磨损的主要因素:同类材料相接触要比异类材料相接触时磨损情况严重的多。

表1为工业领域中不同磨损类型的统计表[9],实际上大多数的工业领域中的磨损失效现象是以上述几种磨损形成的复合形式出现的。

上述磨损的分类方法比较常用,实际上这类方法里包含两类

磨损,即由于磨料作用于材料表面造成的磨料磨损以及摩擦副之间的摩擦导致的磨损。对于磨料磨损还可以进一步按不同分类方法进行分类:例如,两体磨损、三体磨损、凿削磨损、高应力磨损、低应力磨损、切削磨损、变形磨损等,此处不再罗列。

2 磨料磨损失效的显微机制

从表1工业领域中磨损类型的统计表可知,磨料磨损占磨损类型的50%,是磨损失效中最主要的一种类型。本文重点讨论磨料磨损的失效分析。

一般来说,在磨料磨损过程中,材料的迁移主要有切削、变形和脆断三种形式。

2.1 切削机制

磨料颗粒作用在材料表面,颗粒上所承受的载荷分为切向分

力和法向分力,在法向分力作用下,磨粒刺入材料表面,在切向分力的作用下,磨粒沿平面向前滑动,带有锐利棱角和合适攻角的

磨粒对材料表面进行切削,如图1a,b所示。如果磨粒棱角不锐利,或者没有合适的攻角,材料便发生犁沟变形,磨粒一边向前推挤

材料,一边将材料犁向沟槽两侧,如图1c所示。在切削的情况下,材料就像被车刀车削一样从磨粒前方被去除,在磨损表面留下明

显的切痕,在磨屑的切削面上也留有切痕,而磨屑的背面则有明显的剪切皱褶,如图1d所示。

(a) 锐利棱角磨粒的犁削 (b) 材料表

面切削形貌

(c) 棱角不锐利磨粒的切削 (d)

磨屑表面形貌

图1 磨料颗粒作用磨损表面示意图和磨损形貌

2.2 变形机制

在滑动磨粒磨损中,由于磨粒不具备有利的攻角如图1c,并不是一次犁就产生磨屑,在磨粒的反复多次作用下,形成薄的片状碎

屑,这种磨屑表面比较光滑,看不到磨痕和剪切褶皱,这类磨损则属于变形机制。

图2 变形后脱落的扁平

状图3 材料脆性断

裂、图4 不同材料硬度所对应的

磨屑形

貌微观剥落的形貌磨损机理当磨料以较大的角度作用于材料表面时,材料不具备被切削的条件,此时,磨料颗粒将材料从坑中挤出,在众多磨粒反复作用下,材料多次变形硬化失去塑性,直到应力超过材料的强度极限后形成扁平状磨屑脱落,此类磨损多发生于颚式破碎机及锥式破碎机的齿板和破碎壁表面,磨屑如图2所示。但是值得注意的是,对于这类工件,宏观上磨料与材料似乎没有相对滑动,在微观上材料表面的磨料还是有一部分作滑动或者转动,这时仍是可以直接产生短切屑或凿屑。

2.3 脆断机制